本發(fā)明涉及一種基于僅通過平移即可充滿空間的多面體結(jié)構(gòu)的周期性隨機生長多孔模型的建模方法，屬于幾何結(jié)構(gòu)建模領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、多孔材料具有高比強度和低的熱導(dǎo)率在熱防護和保溫方面有廣泛應(yīng)用，但是其復(fù)雜且隨機的結(jié)構(gòu)特征給多孔材料的研究帶來巨大困難。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，其可針對的模型從形狀規(guī)則的模型開始向具有隨機性結(jié)構(gòu)的模型發(fā)展，其中包括大量的隨機多孔結(jié)構(gòu)的模擬研究。對于隨機多孔結(jié)構(gòu)模型，一般存在兩種建模方式：1隨機分布的閉孔型建模；2隨機生長的開孔型建模。隨機生長的開孔型建模最早起始于2007年提出的基于平面的8向三參數(shù)建模，包括成核率cd、生長概率di和體積占比p2，若是包含第二個生長相，則額外加入?yún)?shù)in,m構(gòu)成四參數(shù)。這種三參數(shù)建模方法可擴展到三維，生長方向從8向發(fā)展到26向。

2、這類三或四參數(shù)建模存在兩個方面的不足。其一，沒有涉及到核之間的連接，會導(dǎo)致孤立的固體，與實際情況不相符。其二，以三維為例，這種建模方式采用26向生長，若采用球作為固體基元，球體的凸曲面尤其是氣體怪異且狹長的凹曲面的存在給網(wǎng)格劃分帶來極大的困難。若使用長方體類的多面體作為固體基元，無可避免會出現(xiàn)對線生長和對頂生長這類實際中基本不存在的情形。

3、為了克服上述第二個困難，易于網(wǎng)格劃分且僅通過平移可以充滿整個空間的簡單多面體選取為固體基元，同時僅選取多面體表面的法線方向為生長方向，避免多面體基元線接觸甚至于點接觸式生長。針對第一個困難，基于多面體的結(jié)構(gòu)特點，本發(fā)明對三參數(shù)法進行了改進，加入了四個參數(shù)以及對應(yīng)算法，實現(xiàn)了固體核的連接與孤立固體核的刪除，周期性多孔結(jié)構(gòu)建模以及其它優(yōu)化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、周期性隨機多孔結(jié)構(gòu)模型建模流程如圖1所示，其文字描述如下所示。

2、在模型邊界內(nèi)以c_p的概率隨機生成核并存儲在容器1中，直到達到設(shè)定核的體積占比達到c_v。

3、判斷模型中核與核之間相互的距離，若某一核與其它核的距離均大于c_d則刪除該核，對于以該核作為原點，被xy、yz和xz三個平面劃分出的八個區(qū)域中距離最近且小于的c_d核，采用隨機最短路徑法，生成隨機最短連接固體，存儲容器3中。同時，最短隨機路徑發(fā)生成的固體還可用于生成孔隙率極高時的多孔結(jié)構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4、對容器1中的現(xiàn)有固體結(jié)構(gòu)進行遍歷，核作為起始固體結(jié)構(gòu)，判斷每一個表面的比鄰單元是否為固體，若為固體則跳過，若不為固體，則按照一定概率g_p在面上生成新的基元，當(dāng)基元生長在邊界上，則采用周期性算法，根據(jù)在面、線或頂點在對應(yīng)的面、線或頂點生成新基元。不限次數(shù)地再次對加入有新基元的現(xiàn)有固體進行遍歷、判斷以及生成基元的操作，直到固體體積達到指定體積占比t_v。

5、在上段遍歷中，每一個固體周圍的隨機生長后都進行一次體積占比判斷，在體積占比達到ct_v時，將容器3中的固體合并到容器1中，參與后續(xù)輪次遍歷。當(dāng)體積達到o_v時，遍歷的起始點不再從容器1中第一個固體開始，而是從o_n開始。當(dāng)體積占比達到t_v時，遍歷終止。

技術(shù)特征：

1.一種基于平移充滿空間的多孔模型隨機生長方法，其算法特征包含下述幾個內(nèi)容：

2.根據(jù)權(quán)利要求1，因與其它核距離過遠沒有與之相互連接的孤立的固體和從容器1中刪除，不再參與后續(xù)固體基元的生長。

3.根據(jù)權(quán)利要求1，兩個距離小于c_d的核對之間的固體基元由起始核向目標核隨機生長，生長方向為多面體表面的法線方向，若生長方向與x、y和z方向不平行，則在基元與目標核某坐標相等時，以波動方式生長前進，如基元y坐標值與目標核相等時，隨機增加或減少一個y方向的移動值，下一次y方向的移動則與該移動方向相反，以確保實現(xiàn)最短生長路徑生長。

4.根據(jù)權(quán)利要求1，核間距和核占比共同構(gòu)建多孔模型的固體核的數(shù)量、分布情形和相連結(jié)構(gòu)，同時還用于生成孔隙率極高時的多孔結(jié)構(gòu)模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1，體積占比達到ct_v時，將容器3中的固體并入容器1參與后續(xù)輪次遍歷，ct_v的取值介于c_v和t_v之間，用于調(diào)節(jié)和控制連接的部分固體的粗細，進而調(diào)控多孔模型的整體結(jié)構(gòu)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1，在體積占比達到o_v時，只對容器1中第o_n個固體之后的固體進行遍歷，減少對于面法向已全是固體的固體進行遍歷以提升固體生成效率，o_n=o_v×n_v2/t_v。若o_n個固體之前的固體中夾雜的少量氣體，則用以模擬當(dāng)孔被封閉后，不再有新的固體基元允許被生成而留下的氣孔。

7.該生長模型用于僅通過平移即可充滿整個空間的多面體基元，包括長方體、六棱柱和菱形十二面體基元，其中，長方體結(jié)構(gòu)不但包含幾何結(jié)構(gòu)，還包含可以直接用于模擬的長方體網(wǎng)格單元。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于僅通過平移即可充滿空間的多面體結(jié)構(gòu)的周期性隨機多孔結(jié)構(gòu)的生成方法，包括算法流程圖和多孔結(jié)構(gòu)生成系列的模型圖。該生成方法為：設(shè)定建立多孔結(jié)構(gòu)模型所需的控制參數(shù)，在模型空間內(nèi)隨機生成固體核，實現(xiàn)固體核之間的相互連接與孤立核的刪除，在固體的表面法線方向隨機生長新的固體并采用周期性建模，加入固體核之間的連接固體且繼續(xù)生長直到完成結(jié)構(gòu)建模。

技術(shù)研發(fā)人員：李博,張魁寶,蔣俊,閔中昊,陳廷澤,徐昱
受保護的技術(shù)使用者：西南科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2